Заборонена зона (у фізиці)

Заборо́нена зо́на — проміжок значень енергії електронів, у якому не існує ані заповнених, ані вільних електронних станів.

Заборонена зона характеризується її шириною, вираженою у електронвольтах. Найчастіше цей термін використовують для позначення проміжку (якщо він існує) між валентною зоною та зоною провідності, проте заборонені зони можуть існувати і за інших значень енергії електронів у твердому тілі. У такому випадку заборонені зони розбивають валентну зону або зону провідності на менші підзони.

Шириною забороненої зони [math]E_g[/math] називають різницю енергій електронних рівнів на дні зони провідності та стелею валентної зони. Залежно від того, чи в одній точці зони Бріллюена знаходяться максимум валентної зони та мінімум зони провідності, тверді тіла поділяють на прямозонні та непрямозонні.

[math]E_g[/math] дорівнює мінімальній енергії, яку необхідно надати електрону для переходу з валентної зони у зону провідності. Одне з найбільших значень [math]E_g[/math] спостерігається у LiF та становить біля 14 еВ. Речовини з великим значенням [math]E_g[/math] зазвичай прозорі у широкому інтервалі частот падаючого на них світла та характеризуються дуже низькою провідністю.

Границі забороненої зони чітко визначені лише за нуля температур. За вищих температур [math]E_g[/math] може зменшуватися за рахунок теплового збудження електронів із валентної зони у квазістабільні електронні рівні нижче дна зони провідності.

Залежно від значення [math]E_g[/math] тіла поділяють на метали, напівпровідники та діелектрики. У металів заборонена зона відсутня ([math]E_g[/math] = 0), а речовини з [math]E_g[/math] > 2 еВ є діелектриками. Напівпровідники з [math]E_g[/math] < 2 еВ додатково поділяють на вузькозонні (з [math]E_g[/math] < 0,3 еВ) та широкозонні ([math]E_g[/math] > 0,3 еВ). У деяких речовинах, які називають напівметалами (англ. semimetal), [math]E_g[/math] настільки мала, що валентна зона та зона провідності починають перекриватися. На відміну від звичайних металів, напівметали характеризуються малою щільністю станів поблизу рівня Фермі і низькою провідністю і за цією характеристикою вони схожі з напівпровідниками.

Ширину забороненої зони визначають експериментально за допомогою термічних та оптичних методів спектроскопії. Оскільки рухливість електронів і дірок слабо залежить від температури, ширину забороненої зони можна визначити з теоретичної залежності питомого електричного опору від температури. Отриману ж за допомогою методів спектроскопії ширину забороненої зони називають оптичною. Її значення визначається особливостями енергетичної зонної структури досліджуваної речовини та може значно перевищувати значення [math]E_g[/math], отриманого іншими методами. Це спостерігається у непрямозонних твердих тілах.

Література

Ashcroft N. W., Mermin N. D. Solid State Physics. Philadelphia : Saunders College Publishing, 1976. 826 p.
Болеста І. М. Фізика твердого тіла. Львів : ВЦ Львівський національний університет імені Івана Франка, 2003. 480 с.
Kittel Ch. Introduction to Solid State Physics. 8th ed. Hoboken : John Wiley & Sons, 2004. 704 p.
Yu P., Cardona M. Fundamentals of Semiconductors: Physics and Materials Properties. 4th ed. Berlin : Springer, 2010. 778 p.
Фізика твердого тіла : у 2 ч. / Уклад.: В. М. Крамар, О. П. Кройтор. Чернівці : Рута, 2017.

Автор

Д. О. Кукуста

Покликання на цю статтю: Кукуста Д. О. Заборонена зона (у фізиці) // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Заборонена зона (у фізиці) (дата звернення: 11.10.2026).

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 27.12.2023